Papel de aluminio para aplicaciones de blindaje de cables en cables de comunicación subterráneos

Papel de aluminio para blindaje de cables en cables de comunicación subterráneos
Una visión técnica profunda desde el interior del cable

Cuando los datos de alta velocidad viajan a través de kilómetros de cables de comunicación subterráneos, el héroe silencioso suele ser una capa ultrafina de papel de aluminio. Es fácil describir el papel de aluminio como una simple barrera, pero en las redes subterráneas se convierte en una interfaz electromagnética y química cuidadosamente diseñada. Desde la selección de la aleación y el control del templado hasta la química de la superficie y el comportamiento de laminación, cada detalle de esta lámina determina si un cable enterrado funcionará perfectamente durante décadas o se degradará silenciosamente en el suelo.

Por qué el papel de aluminio es más importante bajo tierra que en los cables aéreos

Los cables de comunicación subterráneos viven en un entorno hostil e incontrolado. La humedad, los iones del suelo, las corrientes parásitas, las sobretensiones inducidas por rayos y el relleno compactado intentan atacar el cable. En este contexto, el papel de aluminio no es sólo un escudo EMI. Sirve como

• Una jaula de Faraday continua que reduce la radiación entrante y saliente
• Una ruta de retorno de baja impedancia para corrientes inducidas y corrientes de falla.
• Una barrera de difusión de humedad cuando se combina con polímeros y compuestos de inundación.
• Una interfaz galvánica que debe coexistir con cobre, acero y otros metales en la estructura del cable.

Las rutas subterráneas están mucho más expuestas a aumentos potenciales del suelo, voltajes inducidos de cables eléctricos cercanos y fuentes de corrosión. Como resultado, la lámina debe diseñarse con un mayor enfoque en la continuidad eléctrica, la estabilidad química y la compatibilidad con la estructura compuesta del cable que en aplicaciones aéreas o interiores estándar.

Selección de aleaciones como compromiso entre conductividad, resistencia y formabilidad.

Para el blindaje de cables de comunicación, el papel de aluminio necesita tres capacidades principales. Debe conducirse de manera eficiente, envolverse y doblarse sin rasgarse y resistir el agrietamiento a través de décadas de micromovimientos y ciclos térmicos en el suelo.

Los diseñadores de cables suelen preferir aleaciones no tratables térmicamente y endurecibles por trabajo con alto contenido de aluminio. Las opciones más comunes incluyen

• 1050, 1060, 1070
  Aleaciones de aluminio esencialmente puro con un contenido de aluminio superior al 99,5 por ciento. Ofrecen una excelente conductividad eléctrica y buena resistencia a la corrosión. Sin embargo, pueden ser relativamente blandos, por lo que la selección del temple y cualquier material de respaldo, como el poliéster, resulta crucial.

• 1100
  Una aleación comercialmente pura con una resistencia ligeramente superior a la 1050 y al mismo tiempo que conserva buena conductividad y resistencia a la corrosión.

• 8011
  Una aleación de aluminio, hierro y silicio ampliamente utilizada en aplicaciones de láminas. Ofrece mejor resistencia y conformabilidad que el aluminio puro, una conductividad ligeramente menor y un rendimiento de laminado muy bueno para láminas delgadas.

La compensación es clara. Una mayor pureza mejora la conductividad y la resistencia a la corrosión, pero reduce la resistencia. La aleación 8011 y composiciones similares intervienen cuando la lámina debe resistir cargas mecánicas durante la fabricación de cables, blindaje o instalaciones con curvas cerradas, especialmente en conductos con alta tensión de tracción.

Opciones típicas de aleación y templado para láminas de cables de comunicaciones subterráneas

Para fundamentar la discusión, aquí hay un conjunto representativo de combinaciones de temperamento de aleaciones y propiedades básicas que a menudo se consideran para el papel de aluminio para blindaje de cables. Los valores reales varían según el fabricante y la especificación, pero la tabla ilustra cómo la aleación y el temple dan forma al rendimiento.

Rangos típicos de aleación, temple y propiedades físicas.

Desde el punto de vista de un diseñador de cables subterráneos, la elección podría verse así

• Utilice 1050 o 1060 si el diseño prioriza la menor resistencia de blindaje posible para recuentos elevados de pares y distancias de transmisión muy largas.
• Utilice 8011 cuando la robustez mecánica, la capacidad de plegado y la resistencia a las arrugas sean más importantes, especialmente cuando se combina con corrugación longitudinal, armadura de acero o flexión repetida.

El efecto del temperamento en el desempeño underground.

El temperamento a menudo se malinterpreta como una clasificación de propiedad puramente mecánica, pero en el blindaje de cables se traduce directamente en confiabilidad eléctrica y capacidad de supervivencia a largo plazo en el suelo.

temperamento suave o

• El alto alargamiento permite un enrollado apretado sobre núcleos de cables multicapa sin microfisuras.
• Particularmente beneficioso para diseños de núcleos complejos o de gran diámetro y para cables instalados en conductos con curvaturas frecuentes.
• Más tolerante al desajuste de expansión térmica entre las capas de aluminio y polímero en el rango de temperatura de funcionamiento, a menudo entre menos 40 y más 80 grados Celsius.

Temperamento duro H18, H24, H22

• La resistencia a la tracción mejorada admite láminas más delgadas, lo que reduce el uso de metal y el peso del cable y, al mismo tiempo, mantiene la integridad de manipulación.
• Una mejor retención de los pliegues es útil cuando la lámina debe permanecer bien envuelta durante los pasos de revestimiento y blindaje.
• Susceptibilidad ligeramente mayor a la iniciación de grietas si se dobla demasiado o se tensiona más allá de los límites de diseño, por lo que es común la integración con soporte de poliéster o corrugación controlada.

Los ciclos térmicos y los movimientos del suelo subterráneos son inevitables. Una lámina demasiado dura puede desarrollar microfracturas en dobleces y superposiciones, comprometiendo tanto el blindaje EMI como el rendimiento de la barrera contra el agua. Por esa razón, muchos diseños subterráneos prefieren templados intermedios o suaves y dependen de construcciones compuestas, como laminados de poliéster y aluminio, para ofrecer la resistencia mecánica necesaria.

Estándares de implementación y marcos de prueba relevantes.

El rendimiento del papel de aluminio en cables de comunicación subterráneos se rige implícita y explícitamente por una red de estándares internacionales y regionales. Si bien muchos de ellos se refieren al cable terminado más que a la lámina en sí, influyen fuertemente en las especificaciones de la lámina.

Ejemplos de estándares y requisitos ampliamente referenciados incluyen

• Serie IEC 61156 para cables de comunicación balanceados
• Serie IEC 60794 para cables de fibra óptica, incluidos diseños de conductos y de enterramiento directo donde se pueden usar blindajes de papel de aluminio en construcciones híbridas o compuestas.
• IEC 60228 para la resistencia del conductor, que afecta indirectamente el diseño del blindaje para gestionar las corrientes inducidas.
• Diversas normas EN, TIA y ASTM que cubren escudos metálicos, resistencia a la corrosión y rendimiento de inflamabilidad.

Dentro de estos marcos, la lámina debe ayudar a que el cable cumpla con métricas como

• Transfiere impedancia y atenuación de apantallamiento en rangos de frecuencia específicos.
• Rendimiento dieléctrico cuando el blindaje está integrado con polímeros aislantes y de revestimiento internos.
• Rendimiento de envejecimiento a largo plazo bajo inmersión en agua, calor húmedo y condiciones de suelo corrosivo.
• Pruebas mecánicas como flexión repetida, torsión, aplastamiento y resistencia a la tracción del cable completo.

Parámetros eléctricos importantes para el blindaje de cables subterráneos

La integridad de la señal subterránea está dominada por la diafonía, la atenuación, el ruido del suelo y la interferencia externa. El papel de aluminio ayuda a gestionarlos a través de varios parámetros.

Efectividad del blindaje

La efectividad del blindaje en decibelios depende del espesor de la lámina, la conductividad, la superposición y la presencia de materiales de respaldo. Una lámina de aluminio continua con una superposición adecuada puede proporcionar fácilmente una alta atenuación en un amplio espectro de frecuencias, lo que es particularmente eficaz contra el acoplamiento de campos eléctricos y las interferencias de alta frecuencia.

Impedancia de transferencia

Para blindajes metálicos, la impedancia de transferencia en miliohmios por metro es un parámetro. Vincula el diseño del blindaje con la magnitud de las corrientes de interferencia y los voltajes inducidos. La baja impedancia de transferencia se logra mediante

• Usar papel de aluminio continuo en lugar de solo un escudo trenzado
• Garantizar una estrecha superposición longitudinal, a menudo alrededor del 20 al 25 por ciento para mayor confiabilidad.
• Elegir una aleación y un espesor que proporcionen una baja resistencia CC por unidad de longitud

Continuidad del camino terrestre

Los cables subterráneos a menudo discurren en paralelo con líneas eléctricas o a lo largo de rutas eléctricamente ruidosas. El blindaje de papel de aluminio se puede utilizar como camino para drenar las corrientes inducidas a tierra. Para que esto funcione de manera confiable

• La lámina debe conservar la continuidad eléctrica en toda la circunferencia del cable.
• Las uniones, empalmes y terminaciones deben mantener las conexiones de lámina para drenar los cables y garantizar un contacto de baja resistencia incluso después de años de exposición a la corrosión.
• La aleación debe ser compatible con el hardware de conexión a tierra, a menudo a base de cobre, para limitar las diferencias de potencial galvánico.

Rangos de parámetros eléctricos típicos para el papel de aluminio utilizado en el blindaje de cables

A modo de ilustración, a continuación se muestran valores de ejemplo para los parámetros de rendimiento del papel de aluminio desnudo que se consideran comúnmente en los cálculos de diseño.

Estas características definen cómo se comporta el escudo cuando está sujeto a acoplamiento de frecuencia eléctrica, sobretensiones inducidas por rayos e interferencias de alta frecuencia de sistemas celulares y de radio.

Comportamiento químico y de corrosión en el ambiente enterrado.

El mundo subterráneo es químicamente complejo. La humedad, las sales disueltas, los compuestos de azufre y las corrientes parásitas se combinan para desafiar los componentes metálicos. El papel de aluminio, sin embargo, tiene una característica distintiva de autodefensa. Forma naturalmente una capa delgada y adherente de óxido de aluminio que frena drásticamente la corrosión en muchas condiciones.

Aún así, el rendimiento real de la corrosión depende de

• Composición de la aleación, particularmente contenido de hierro y silicio, que puede influir sutilmente en el comportamiento de las picaduras.
• pH y contenido de cloruro del suelo o agua circundante.
• Presencia de pares galvánicos con conductores de cobre o elementos de refuerzo de acero.
• La integridad de las camisas de polímero y los elementos que bloquean el agua que deberían mantener a las especies agresivas alejadas de la lámina.

Para respetar plenamente la complejidad química, los proveedores de papel de aluminio para aplicaciones subterráneas suelen controlar estrictamente los niveles de impurezas. A continuación se muestra una tabla de composición química representativa de dos aleaciones de láminas comúnmente utilizadas en blindaje.

Composición química típica de aleaciones de láminas de aluminio para blindaje de cables.

Los valores son rangos indicativos en porcentaje en peso.

Este paisaje químico da forma a cómo responde la lámina al mundo exterior. Por ejemplo

• El fino equilibrio de hierro y silicio en 8011 optimiza el rodamiento a calibres ultra delgados sin poros, esencial para un blindaje confiable.
• El bajo contenido de cobre protege contra formas específicas de corrosión localizada que podrían ocurrir en suelos que contienen cloruro.
• El límite estricto de impurezas volátiles ayuda a garantizar una adhesión estable a los polímeros durante la laminación y evita la formación de gases en procesos de cables a alta temperatura.

Construcciones de láminas laminadas como interfaz de ingeniería

En los modernos cables de comunicación subterráneos, el papel de aluminio rara vez aparece solo. Comúnmente se une a películas de poliéster u otros polímeros para crear cintas de aluminio poliéster AL PET o aluminio poliéster aluminio AL PET AL. Estos laminados convierten la lámina en una interfaz diseñada entre el metal y el aislamiento.

Los beneficios de laminar incluyen

• Resistencia al desgarro y resistencia al manejo mejoradas durante las líneas de producción de cables de alta velocidad
• Adhesión controlada para garantizar que la lámina permanezca donde se coloca, manteniendo la superposición y la cobertura durante toda la vida útil.
• Rendimiento de barrera contra la humedad mejorado debido al efecto combinado de las capas de metal y polímero.
• Aislamiento eléctrico entre el aluminio y el núcleo u otros componentes metálicos cuando sea necesario para gestionar los efectos galvánicos.

Desde un punto de vista único, el laminado se comporta como una piel electromagnética compuesta. La capa de aluminio ofrece conductividad y reflectividad para el control de EMI. La película de poliéster estabiliza la geometría y la superficie, suavizando las tensiones micromecánicas que de otro modo podrían agrietar la lámina durante la flexión, los ciclos de temperatura y la carga de tierra.

Parámetros para cintas de papel de aluminio laminado.

Para aplicaciones de cables subterráneos, los diseñadores prestan atención a características del laminado como

• Espesor total del metal más la película, equilibrando la flexibilidad y el rendimiento de la barrera.
• Resistencia al pelado entre el aluminio y el polímero, evitando la delaminación en ambientes húmedos y cálidos.
• Contracción térmica de la película, que puede ejercer tensión sobre la capa de lámina a temperaturas elevadas.
• Compatibilidad con adhesivos termofusibles, compuestos de inundación y materiales de revestimiento como polietileno o PVC

La interacción del diseño mecánico y eléctrico

Uno de los desafíos distintivos de la ingeniería radica en alinear el comportamiento mecánico de la lámina con los objetivos electromagnéticos del escudo.

Considere estos aspectos entrelazados

• El radio de curvatura mínimo del cable completo no debe inducir una deformación plástica más allá de la capacidad de deformación de la lámina. Los temperamentos duros pueden brindar una limpieza excelente durante la producción, pero son implacables si el cable se instala con curvas cerradas.
• Se elige la superposición longitudinal de la lámina para garantizar una continuidad eléctrica constante, pero esta superposición también introduce una irregularidad de rigidez local que puede influir en la forma en que se flexiona el cable.
• En escudos multicapa, como lámina más trenza o lámina más cinta metálica corrugada, la lámina de aluminio debe cooperar con componentes más rígidos para compartir la tensión en lugar de concentrarla en una zona frágil.

Para instalaciones subterráneas, donde la compactación y el asentamiento del suelo presionan lentamente contra el cable, este emparejamiento electromagnético mecánico es fundamental. Un blindaje mecánicamente bien equilibrado mantiene su integridad y, con ella, el perfil de impedancia estable que mantiene el rendimiento de la señal predecible durante décadas.

Consideraciones térmicas en ambientes enterrados

Los cables enterrados están sujetos a ciclos térmicos estacionales y puntos críticos locales cerca de líneas eléctricas o infraestructura industrial. El papel de aluminio responde a la temperatura de varias maneras que son importantes para el diseño del sistema.

• El desajuste de la expansión térmica con los polímeros puede generar tensiones de corte en la interfaz. La selección adecuada del temperamento y el diseño del laminado mitigan esto.
• La resistencia eléctrica aumenta con la temperatura, lo que puede afectar la distribución de la corriente de protección durante eventos transitorios. Los diseñadores de cables consideran la temperatura del suelo en el peor de los casos al calcular el aumento de la temperatura del blindaje en condiciones de falla o sobretensión.
• La oxidación de la lámina puede acelerarse ligeramente a temperaturas elevadas en presencia de humedad, pero la capa de óxido estable generalmente restringe la penetración profunda.

Visto desde una perspectiva de confiabilidad a largo plazo, la lámina es parte del ecosistema térmico del cable, no solo de su cubierta electromagnética. Su comportamiento ante fluctuaciones de temperatura debe armonizar con todos los demás elementos, desde el aislamiento del conductor hasta la cubierta exterior.

Integración del papel de aluminio en el diseño holístico de cables subterráneos

Los cables de comunicación subterráneos más exitosos tratan el papel de aluminio no como una capa de mercancía sino como un componente estratégico que cruza múltiples dominios de diseño.

Dominio eléctrico

• Optimiza la efectividad del blindaje en todo el espectro relevante, compatible con los requisitos modernos de alta velocidad de datos y bajo nivel de ruido.
• Proporciona rutas predecibles y de baja resistencia para corrientes transitorias e inducidas, integradas con estrategias de conexión a tierra y unión.

Dominio mecánico

• Mantiene la continuidad después de tensiones de instalación, asentamiento del suelo y ciclos térmicos.
• Funciona con armadura y revestimiento para mantener el cable lo suficientemente flexible para el enrutamiento en el mundo real y, al mismo tiempo, resistente contra aplastamientos e impactos.

Dominio químico

• Resiste la corrosión en una amplia variedad de suelos, mejorado por un revestimiento robusto y sistemas de bloqueo de agua.
• Mantiene una fuerte adhesión en laminados a pesar de la exposición a la humedad, el calor y posibles contaminantes químicos.

Dominio de fabricación

• Procesa eficientemente en líneas de corte, encintado y cableado de alta velocidad con mínimas arrugas o desgarros.
• Mantiene constantes el espesor y las propiedades mecánicas para evitar variaciones en el rendimiento eléctrico y la estabilidad dimensional del cable.

Cuando los diseñadores y especialistas en materiales ven el papel de aluminio a través de todas estas lentes simultáneamente, descubren el valor real de esta capa metálica ultrafina. Se convierte en una interfaz optimizada que garantiza silenciosamente la integridad de la señal en algunos de los entornos más desafiantes para la infraestructura de cable.